Circuitele de conversie a energiei

Construieste panouri fotovoltaice acasa (Iunie 2019).

$config[ads_text] not found
Anonim

Circuitele de conversie a energiei

Dispozitive și circuite semiconductoare discrete


Intrebarea 1

Nu stați acolo! Construiți ceva!

Învățarea de a analiza matematic circuitele necesită mult studiu și practică. În mod obișnuit, elevii practică prin lucrul prin numeroase probleme de probă și verificând răspunsurile lor față de cele oferite de manual sau instructor. În timp ce acest lucru este bun, există o cale mult mai bună.

Veți învăța mult mai mult prin construirea și analizarea circuitelor reale, permițând echipamentul de testare să furnizeze "răspunsurile" în loc de o carte sau de o altă persoană. Pentru exerciții de construire a circuitelor de succes, urmați acești pași:

  1. Măsurați și înregistrați cu atenție toate valorile componentelor înainte de construcția circuitului, selectând valorile rezistorului suficient de mari pentru a face ca deteriorarea tuturor componentelor active să fie puțin probabilă.
  2. Desenați diagrama schematică pentru circuitul care urmează să fie analizat.
  3. Construiți cu atenție acest circuit pe un panou sau alt mediu convenabil.
  4. Verificați precizia construcției circuitului, urmărind fiecare cablu la fiecare punct de conectare și verificând elementele unu-câte unul pe diagramă.
  5. Analiza matematică a circuitului, rezolvarea tuturor valorilor tensiunii și curentului.
  6. Măsurați cu atenție toate tensiunile și curenții, pentru a verifica corectitudinea analizei.
  7. Dacă există erori substanțiale (mai mari de câteva procente), verificați cu atenție construcția circuitului în funcție de diagramă, apoi calculați cu atenție valorile și re-măsurați cu atenție.

Când elevii au început să învețe despre dispozitivele cu semiconductori și sunt cel mai probabil să le deterioreze prin conexiuni necorespunzătoare în circuitele lor, recomand să experimenteze componente mari de putere (diode rectificative 1N4001, tranzistoare de putere TO-220 sau TO-3, etc.) și utilizarea unor surse de alimentare cu baterii uscate, mai degrabă decât a unei surse de alimentare la bord. Acest lucru scade probabilitatea deteriorării componentelor.

Ca de obicei, evitați valorile rezistenței foarte mari și foarte scăzute, pentru a evita erorile de măsurare cauzate de încărcarea contorului (la capătul superior) și pentru a evita epuizarea tranzistorului (la capătul inferior). Vă recomandăm rezistențe între 1 kΩ și 100 kΩ.

O modalitate prin care puteți economisi timp și reduce posibilitatea de eroare este să începeți cu un circuit foarte simplu și să adăugați incremental componente pentru a crește complexitatea acestuia după fiecare analiză, mai degrabă decât să construiți un circuit complet nou pentru fiecare problemă de practică. O altă tehnică de economisire a timpului este de a reutiliza aceleași componente într-o varietate de configurații diferite de circuite. În acest fel, nu va trebui să măsurați valoarea unei componente mai mult decât o dată.

Revelați răspuns Ascundeți răspunsul

Lăsați electronii înșiși să vă dea răspunsul la propriile "probleme practice"!

Note:

Experiența mea a fost că studenții au nevoie de multă practică cu analiza circuitului pentru a deveni competenți. În acest scop, instructorii oferă de obicei studenților lor o mulțime de probleme de practică prin care să lucreze și oferă răspunsuri elevilor să-și controleze munca. În timp ce această abordare îi face pe studenți să se familiarizeze cu teoria circuitelor, nu reușește să le educe pe deplin.

Elevii nu au nevoie doar de practică matematică. Aceștia au nevoie, de asemenea, de circuite de construcție practice practice și de echipamente de testare. Deci, sugerez următoarea abordare alternativă: elevii ar trebui să- și construiască propriile "probleme de practică" cu componente reale și să încerce să prezică matematic diferitele valori de tensiune și curent. În acest fel, teoria matematică "vine în viață", iar studenții dobândesc o experiență practică pe care nu ar câștiga doar prin rezolvarea ecuațiilor.

Un alt motiv pentru a urma această metodă de practică este de a preda studenților metodă științifică : procesul de testare a unei ipoteze (în acest caz, predicții matematice) prin efectuarea unui experiment real. Elevii vor dezvolta, de asemenea, abilități reale de depanare, deoarece uneori fac erori de construcție a circuitelor.

Petreceți câteva momente de timp cu clasa dvs. pentru a revizui unele dintre "regulile" de construire a circuitelor înainte de a începe. Discutați aceste probleme cu elevii dvs. în aceeași manieră Socratică, în mod normal, ați discuta cu întrebările din foaia de lucru, în loc să le spuneți pur și simplu ce ar trebui și nu ar trebui să facă. Nu mă mai opresc niciodată să fiu uimită de modul în care elevii slab înțeleg instrucțiunile atunci când sunt prezentați într-un format tipic de prelegere (instructor monolog)!

O notă adresată acelor instructori care se pot plânge de timpul "irosit" trebuie să-i facă pe elevi să construiască circuite reale în loc să analizeze doar matematic circuitele teoretice:

Care este scopul studenților care vă ia cursul "panoul de lucru" panoul panoului de lucru implicit?

intrebarea 2

Descrieți ce este un dinamotor și ce scop ar putea fi într-un sistem electric.

Revelați răspuns Ascundeți răspunsul

Un dinamotor este un tip special de mașină electromecanică destinată să transforme o formă de energie electrică în alta, folosind un câmp magnetic comun și un element rotativ.

Note:

Răspunsul aici este intenționat vag, așa cum vreau elevii să cerceteze ele însele detaliile.

Întrebarea 3

Ce este un circuit de conversie DC-DC și ce aplicații ar putea fi folosită pentru un astfel de circuit?

Revelați răspuns Ascundeți răspunsul

Un "convertor DC-DC" este un circuit care transformă o tensiune DC fie în sus, fie în jos, în general cu o transformare inversă în curent. Aplicațiile includ alimentarea cu curent continuu pentru a încărca dispozitivele în care sursa principală de alimentare este DC, dar de tensiune greșită.

Note:

În multe cazuri, convertoarele DC-DC se găsesc în sistemele mari care nu au fost proiectate bine (adică cu tensiuni DC corespunzătoare furnizate de un circuit de alimentare AC-DC comun). Cu toate acestea, circuitele convertoare au mai multe utilizări legitime, inclusiv aplicații în care este necesară izolarea între două circuite de curent continuu. Întrebați elevilor dvs. ce "izolare electrică" este de ce ar putea fi important.

Întrebarea 4

Acest circuit utilizează un generator de forme de undă 8038 (circuit integrat) pentru a produce o formă de undă "sawtooth", care este apoi comparată cu o tensiune variabilă DC de la un potențiometru:

Rezultatul este o formă de undă pulsată la baza tranzistorului de putere, de aceeași frecvență ca și forma de undă de fierăstrău. În mod normal, în astfel de circuite, frecvența este de cel puțin câteva sute de Hertz.

Explicați ce se întâmplă cu luminozitatea lămpii atunci când ștergătorul potențiometrului este deplasat mai aproape de + V și atunci când acesta este deplasat mai aproape de sol.

Revelați răspuns Ascundeți răspunsul

Lampa strălucește mai luminoasă, pe măsură ce crește durata ciclului de funcționare al formei de undă a impulsului și viza.

Note:

Această întrebare este o revizuire bună a operării de comparare și introduce conceptul de ciclu de taxe, dacă studenții dvs. nu au mai întâlnit-o înainte. Cereți studenților dvs. să explice cum și de ce se schimbă ciclul de sarcină pe măsură ce ștergătorul potențiometrului este mutat. Cereți-le să explice de ce se schimbă luminozitatea lămpii cu ciclul de funcționare și dacă aceasta este sau nu o metodă eficientă de control al puterii.

Întrebarea 5

Acest circuit generează un impuls de tensiune DC suficient pentru a energiza lampa de neon, de fiecare dată când comutatorul este deschis:

Descrieți principiul de funcționare pentru acest circuit simplu și, de asemenea, modul în care acesta ar putea fi modificat pentru a produce curent continuu de înaltă tensiune DC.

Sugestie: cum funcționează un circuit comun de alimentare AC-DC care convertește impulsurile de curent rectificat într-o ieșire DC relativ "netedă" # 5 "> Răspuns dezvăluiți Ascunde răspunsul

Următoarea întrebare: cum ați recomanda să "automatizeze" acest circuit astfel încât o persoană să nu trebuiască să continue să apese și să elibereze comutatorul pentru a genera o tensiune continuă de ieșire DC "note hidden"> Note:

Cereți studenților dvs. să explice soluțiile lor pentru "automatizarea" acțiunii comutatorului. Pregătiți-vă pentru câteva răspunsuri creative!

Întrebarea 6

Diagrama schematică prezentată aici este pentru un circuit de convertizor "buck", un tip de circuit de conversie a energiei DC-DC "de comutare"

În acest circuit, tranzistorul este complet sau complet oprit; care este condus între extremele de saturație sau de cutoff. Prin evitarea modului "activ" al tranzistorului (unde ar scădea tensiunea substanțială în timp ce conduce curentul), se pot obține disipări de putere foarte scăzute ale tranzistorului. Cu puțină putere pierdută sub formă de căldură, circuitele de conversie a energiei "de comutare" sunt de obicei foarte eficiente.

Urmăriți toate direcțiile curente în timpul ambelor stări ale tranzistorului. De asemenea, marcați polaritatea de tensiune a inductorului în timpul ambelor stări ale tranzistorului.

Revelați răspuns Ascundeți răspunsul

Următoarea întrebare: cum se referă tensiunea de sarcină a acestui convertizor la tensiunea de alimentare (baterie) "// www.allaboutcircuits.com/textbook/semiconductors/chpt-3/special-purpose-diodes/"> se utilizează dioda de sticlă în acest circuit, spre deosebire de o diodă de reglare (PN) obișnuită?

Note:

Întrebați elevii dvs. de ce cred că acest circuit este numit un convertor dolar . "Buck" se referă, de obicei, la ceva care este în opoziție. Ce se opune în acest circuit?

Întrebarea 7

Diagrama schematică prezentată aici este pentru un circuit de convertizor "amplificat", un tip de circuit de conversie a curentului de comutare DC-DC:

În acest circuit, tranzistorul este complet sau complet oprit; care este condus între extremele de saturație sau de cutoff. Prin evitarea modului "activ" al tranzistorului (unde ar scădea tensiunea substanțială în timp ce conduce curentul), se pot obține disipări de putere foarte scăzute ale tranzistorului. Cu puțină putere pierdută sub formă de căldură, circuitele de conversie a energiei "de comutare" sunt de obicei foarte eficiente.

Urmăriți toate direcțiile curente în timpul ambelor stări ale tranzistorului. De asemenea, marcați polaritatea de tensiune a inductorului în timpul ambelor stări ale tranzistorului.

Revelați răspuns Ascundeți răspunsul

Următoarele întrebări: cum se referă tensiunea de sarcină a acestui convertizor la tensiunea de alimentare (baterie) "note ascunse"> Note:

Întrebați elevii dvs. de ce cred că acest circuit este numit un convertizor de impuls . "Boost" se referă, de obicei, la ceva care ajută la altceva. Ce este ajutat în acest circuit?

Întrebarea 8

Diagrama schematică prezentată aici este pentru un circuit de conversie "inversor", un tip de circuit de conversie a energiei DC-DC "de comutare":

În acest circuit, tranzistorul este complet sau complet oprit; care este condus între extremele de saturație sau de cutoff. Prin evitarea modului "activ" al tranzistorului (unde ar scădea tensiunea substanțială în timp ce conduce curentul), se pot obține disipări de putere foarte scăzute ale tranzistorului. Cu puțină putere pierdută sub formă de căldură, comutarea "circuitelor de conversie a energiei sunt de obicei foarte eficiente.

Urmăriți toate direcțiile curente în timpul ambelor stări ale tranzistorului. De asemenea, marcați polaritatea de tensiune a inductorului în timpul ambelor stări ale tranzistorului.

Revelați răspuns Ascundeți răspunsul

Note:

Întrebați elevii dvs. de ce cred că acest circuit este numit un convertizor inversor .

Deși nu poate fi evident din vedere circuitul schematic, acest circuit de convertizor este capabil să trepte tensiunea în sus sau în jos, făcându-l destul de versatil.

Întrebarea 9

Diagrama schematică prezentată aici este pentru un circuit de conversie "Cuk", un tip de circuit de conversie a curentului de comutare DC-DC:

În acest circuit, tranzistorul este complet sau complet oprit; care este condus între extremele de saturație sau de cutoff. Prin evitarea modului "activ" al tranzistorului (unde ar scădea tensiunea substanțială în timp ce conduce curentul), se pot obține disipări de putere foarte scăzute ale tranzistorului. Cu puțină putere pierdută sub formă de căldură, circuitele de conversie a energiei "de comutare" sunt de obicei foarte eficiente.

Urmăriți toate direcțiile curente în timpul ambelor stări ale tranzistorului. De asemenea, marcați polaritățile de tensiune ale ambelor inductoare în timpul ambelor stări ale tranzistorului.

Revelați răspuns Ascundeți răspunsul

Următoarele întrebări: cum se referă tensiunea de sarcină a acestui convertizor la tensiunea de alimentare (baterie) "note ascunse"> Note:

Numele "ciudat" al acestui circuit vine de la numele de familie al inginerului care la inventat! Pentru mai multe informații, consultați scrierile lui Rudy Severns pe tema generală a circuitelor de conversie a puterii în comutare.

Întrebarea 10

Prezintă modul în care funcționarea acestui circuit al convertorului de buck va fi afectată ca urmare a următoarelor defecțiuni. Luați în considerare fiecare defecțiune independent (adică unul câte unul, fără multiple defecte):

Circuitul de acționare nu funcționează cu un semnal de ieșire constant "scăzut" (0 volți):
Circuitul de transmisie nu reușește cu un semnal de ieșire constant "înalt" (+ V):
Dioda eșuează scurt:
Inductorul nu se deschide:
Capacitorul nu reușește să fie scurtcircuitat:

Pentru fiecare dintre aceste condiții, explicați de ce se vor produce efectele rezultate.

Revelați răspuns Ascundeți răspunsul

Circuitul de transmisie nu reușește cu un semnal de ieșire constant "scăzut" (0 volți): Tensiunea de ieșire scade la zero după descărcarea condensatorului.
Circuitul de declanșare nu reușește cu un semnal de ieșire constant "înalt" (+ V): Tensiunea de ieșire crește pentru a deveni aproximativ egală cu V in .
Dioda eșuează scurt: Tensiunea de ieșire scade la zero, apoi tranzistorul eșuează din cauza supraîncălzirii.
Inductorul nu funcționează deschis: Tensiunea de ieșire scade la zero după descărcarea condensatorului.
Capacitorul nu funcționează scurtcircuit: Tensiunea de ieșire scade imediat la zero.

Note:

Scopul acestei întrebări este abordarea domeniului de depanare a circuitelor dintr-o perspectivă de a ști ce este vina, mai degrabă decât să știm doar ce sunt simptomele. Deși aceasta nu este neapărat o perspectivă realistă, aceasta îi ajută pe elevi să construiască cunoștințele fundamentale necesare pentru a diagnostica un circuit defect din datele empirice. Întrebări precum acest lucru ar trebui să fie urmate (în cele din urmă) de alte întrebări care îi cer elevilor să identifice greșelile posibile pe baza măsurătorilor.

Întrebarea 11

Prezintă modul în care funcționarea acestui circuit al convertizorului de tensiune va fi afectată ca urmare a următoarelor defecțiuni. Luați în considerare fiecare defecțiune independent (adică unul câte unul, fără multiple defecte):

Circuitul de acționare nu funcționează cu un semnal de ieșire constant "scăzut" (0 volți):
Circuitul de transmisie nu reușește cu un semnal de ieșire constant "înalt" (+ V):
Dioda eșuează scurt:
Inductorul nu se deschide:
Capacitorul nu reușește să fie scurtcircuitat:

Pentru fiecare dintre aceste condiții, explicați de ce se vor produce efectele rezultate.

Revelați răspuns Ascundeți răspunsul

Circuitul de transmisie nu reușește cu un semnal de ieșire constant "scăzut" (0 volți): Tensiunea de ieșire crește până la aproximativ egală cu V in .
Circuitul de transmisie nu reușește cu un semnal de ieșire constant "înalt" (+ V): Tensiunea de ieșire scade la zero după descărcarea condensatorului.
Dioda nu funcționează scurtcircuitat: Tensiunea de ieșire prezintă o "infasurare" foarte mare, deoarece tensiunea în mod repetat scade la zero și spate înapoi în fiecare ciclu de acționare, tranzistorul poate eșua din cauza supraîncălzirii.
Inductorul nu funcționează deschis: Tensiunea de ieșire scade la zero după descărcarea condensatorului.
Capacitorul nu funcționează scurtcircuit: Tensiunea de ieșire scade imediat la zero.

Note:

Scopul acestei întrebări este abordarea domeniului de depanare a circuitelor dintr-o perspectivă de a ști ce este vina, mai degrabă decât să știm doar ce sunt simptomele. Deși aceasta nu este neapărat o perspectivă realistă, aceasta îi ajută pe elevi să construiască cunoștințele fundamentale necesare pentru a diagnostica un circuit defect din datele empirice. Întrebări precum acest lucru ar trebui să fie urmate (în cele din urmă) de alte întrebări care îi cer elevilor să identifice greșelile posibile pe baza măsurătorilor.

Întrebarea 12

Așa-numitele circuite de reglare liniară funcționează prin reglarea fie a rezistenței serie sau a unei rezistențe de șunt pentru a menține tensiunea de ieșire la o anumită valoare fracționată a tensiunii de intrare:

În mod tipic, aceste rezistențe variabile sunt furnizate mai degrabă de tranzistori decât de reostaturi reale, care ar trebui să fie controlate manual.

Explicați de ce un circuit de reglare a comutării ar efectua aceeași sarcină ca un circuit liniar de reglare cu o eficiență mult mai mare. De asemenea, identificați tipul (tipurile) de circuit al regulatorului de comutare care ar fi cel mai potrivit pentru sarcina de a reduce tensiunea de intrare la o tensiune de ieșire mai mică.

Revelați răspuns Ascundeți răspunsul

Un circuit regulator de buck funcționează aproape în același mod ca un transformator: tensiune de pas în jos în timp ce curentul pas cu pas în sus. În mod ideal, circuitele de comutare a regulatoarelor consumă zero energie, spre deosebire de circuitele de reglare liniară (rezistivă).

Următoarea întrebare: ce tip de circuit liniar de reglaj face aparatul de reglaj tradițional de tensiune din dioda zener, serii sau șunt "note ascunse"> Note:

În procesul de analiză a funcționalității regulatorului de comutare, este ușor pentru studenți să treacă cu vederea scopul pentru care există deloc. Discutați despre importanța eficienței conversiei puterii, în special pentru aplicațiile electronice care sunt alimentate cu baterii.

Un punct important de subliniat în această întrebare este faptul că majoritatea circuitelor "de reglementare" care se schimbă pentru studenți nu sunt de fapt organele de reglementare, ci doar convertoarele . Un circuit de conversie a comutatorului nu devine un circuit de reglare până când nu este adăugat un control al feedback-ului. Astfel de controale sunt, de obicei, prea complexe pentru a fi introduse la început, astfel încât acestea sunt de obicei omise din simplitate. Cu toate acestea, elevii ar trebui să înțeleagă diferența dintre un circuit regulator de comutare și un circuit simplu de comutare de comutare, pentru a nu crede că convertorul este capabil să fie mai mult decât este.

Întrebarea 13

Se afișează aici două circuite de reducere a tensiunii: ambele reducând o tensiune de alimentare de 13, 5 volți până la 5 volți pentru o sarcină.

Calculați curentul de alimentare mediu (I alimentat ) pentru ambele circuite. Să presupunem că circuitul de comutare are pierderi de putere neglijabile în tranzistor, inductor, condensator și diodă. Dacă sursa de 13, 5 volți a fost o baterie electrochimică, bateria va dura mai mult alimentarea cu aceeași încărcătură "# 13"> Răspuns dezvăluiți Ascunde răspunsul

Bateria care alimentează circuitul liniar trebuie să furnizeze surse de 240 mA, în timp ce bateria care alimentează circuitul de comutare trebuie să furnizeze doar un curent mediu de 88, 9 mA.

Următoarea întrebare: calculați eficiența energetică a circuitului liniar și comentați de ce este atât de diferit de circuitul de comutare.

Note:

Explicați elevilor dvs. că circuitele de conversie a energiei electrice sunt foarte eficiente: de obicei 85 până la 95%! Ar trebui să fie destul de evident ce baterie va dura mai mult și de ce. Acesta este tocmai motivul că în locurile circuitelor liniar de reglare (bazate pe diode zener) în mai multe aplicații electronice alimentate de baterii se folosesc circuite de comutare de comutare (convertoare DC-DC cu o rețea de reacție pentru stabilizarea tensiunii de ieșire).

În esență, circuitele de comutare ale comutatorului acționează ca transformatoare de curent continuu, capabile să treacă tensiunea în jos (sau în sus), cu curent invers proporțional. Desigur, legea conservării energiei deține circuite de comutare la fel ca în cazul transformatoarelor și studenții pot găsi această lege ca fiind cea mai ușoară modalitate de a efectua calcule de aprovizionare / sarcină curentă cunoscând tensiunile de alimentare și sarcină:

P out ≈ P in

V în I în ≈ V out afară

Dacă timpul permite, este posibil să doriți să arătați elevilor dvs. o fișă tehnică pentru un controler al convertizorului de putere, arătându-le cum există circuite integrate pentru a controla precis comutarea MOSFET-urilor pentru circuitele de convertizor de putere.

Întrebarea 14

Tensiunea de ieșire a unui circuit convertizor de buck este o funcție a tensiunii de intrare și a ciclului de funcționare al semnalului de comutare reprezentat de variabila D (variază în valoare de la 0% la 100%), unde D = ((t on ) / (t la + t off )):

Pe baza acestei relații matematice, se calculează tensiunea de ieșire a acestui circuit de convertizor la aceste cicluri de funcționare, presupunând o tensiune de intrare de 40 volți:

D = 0%; V out =
D = 25%; V out =
D = 50%; V out =
D = 75%; V out =
D = 100%; V out =
Revelați răspuns Ascundeți răspunsul

D = 0%; V out = 0 volți
D = 25%; V out = 10 volți
D = 50%; V out = 20 volți
D = 75%; V out = 30 volți
D = 100%; V out = 40 volți

Note:

Calculele pentru acest circuit ar trebui să fie foarte simple.

Rețineți că elementul de comutare din diagrama schematică este prezentat sub formă generică. Nu ar fi niciodată un comutator mecanic, ci mai degrabă un tranzistor de un fel.

Întrebarea 15

Tensiunea de ieșire a unui circuit de convertizor de turație este o funcție a tensiunii de intrare și a ciclului de funcționare al semnalului de comutare reprezentat de variabila D (variază între 0% și 100%), unde D = ((t) / (t la + t off )):

Pe baza acestei relații matematice, se calculează tensiunea de ieșire a acestui circuit de convertizor la aceste cicluri de funcționare, presupunând o tensiune de intrare de 40 volți:

D = 0%; V out =
D = 25%; V out =
D = 50%; V out =
D = 75%; V out =
D = 100%; V out =
Revelați răspuns Ascundeți răspunsul

D = 0%; V out = 40 volți
D = 25%; V out = 53, 3 volți
D = 50%; V out = 80 volți
D = 75%; V out = 160 volți
D = 100%; V out = 0 volți

Note:

Calculele pentru acest circuit ar trebui să fie simple, cu excepția ultimului calcul cu un ciclu de funcționare D = 100%. Aici studenții trebuie să se uite la circuit și să nu urmeze formula orbește.

Rețineți că elementul de comutare din diagrama schematică este prezentat sub formă generică. Nu ar fi niciodată un comutator mecanic, ci mai degrabă un tranzistor de un fel.

Întrebarea 16

Tensiunea de ieșire a unui circuit de convertizor inversat este o funcție a tensiunii de intrare și a ciclului de funcționare al semnalului de comutare, reprezentat de variabila D (variază în valoare de la 0% la 100%), unde D = ((t on ) / (t la + t off )):

Pe baza acestei relații matematice, se calculează tensiunea de ieșire a acestui circuit de convertizor la aceste cicluri de funcționare, presupunând o tensiune de intrare de 40 volți:

D = 0%; V out =
D = 25%; V out =
D = 50%; V out =
D = 75%; V out =
D = 100%; V out =
Revelați răspuns Ascundeți răspunsul

D = 0%; V out = 0 volți
D = 25%; V out = 13, 3 volți
D = 50%; V out = 40 volți
D = 75%; V out = 120 volți
D = 100%; V out = 0 volți

Note:

Calculele pentru acest circuit ar trebui să fie simple, cu excepția ultimului calcul cu un ciclu de funcționare D = 100%. Aici studenții trebuie să se uite la circuit și să nu urmeze formula orbește.

Rețineți că elementul de comutare din diagrama schematică este prezentat sub formă generică. Nu ar fi niciodată un comutator mecanic, ci mai degrabă un tranzistor de un fel.

Întrebarea 17

Tensiunea de ieșire a unui circuit de convertizor Cuk (denumită după inginerul care la inventat) este o funcție a tensiunii de intrare și a ciclului de funcționare a semnalului de comutare, reprezentat de variabila D (variază în valoare între 0% și 100%), unde D = ((t on ) / (t la + t off )):

Pe baza acestei relații matematice, se calculează tensiunea de ieșire a acestui circuit de convertizor la aceste cicluri de funcționare, presupunând o tensiune de intrare de 25 volți:

D = 0%; V out =
D = 25%; V out =
D = 50%; V out =
D = 75%; V out =
D = 100%; V out =
Revelați răspuns Ascundeți răspunsul

D = 0%; V out = 0 volți
D = 25%; V out = 8, 33 volți
D = 50%; V out = 25 volți
D = 75%; V out = 75 volți
D = 100%; V out = 0 volți

Note:

Calculele pentru acest circuit ar trebui să fie simple, cu excepția ultimului calcul cu un ciclu de funcționare D = 100%. Aici studenții trebuie să se uite la circuit și să nu urmeze formula orbește.

Rețineți că elementul de comutare din diagrama schematică este prezentat sub formă generică. Nu ar fi niciodată un comutator mecanic, ci mai degrabă un tranzistor de un fel.

Studenții care vor studia astăzi vor observa că nu există nicio diferență între circuitul convertorului invertor standard și designul Cuk, în ceea ce privește calculele de tensiune de ieșire. Acest lucru, totuși, nu înseamnă că cele două circuite sunt echivalente în toate privințele! Un avantaj clar al convertorului Cuk asupra convertorului standard de inversare este acela că curentul de intrare al lui Cuk nu trece niciodată la zero în timpul ciclului "oprit" al comutatorului. Acest lucru face ca circuitul Cuk să fie încărcat "mai silențios", așa cum se vede din sursa de alimentare. Atât circuitele convertizoare de conversie, cât și convertizoarele, produc o mulțime de zgomote electrice pe partea de alimentare, dacă intrările lor sunt nefiltrate!

Întrebarea 18

Următoarele ecuații rezolvă tensiunea de ieșire a diferitelor circuite de comutare de comutare (neîncărcate), având în vedere ciclul D de comutare și tensiunea de intrare:

V out = DV in (circuitul convertorului Buck)

V out = V in


1 - D

(Circuit de convertizor Boost)

V out = DV in


1 - D

(Inverting sau Cuk convertor circuit)

Manipulați fiecare dintre aceste ecuații pentru a rezolva ciclul de funcționare (D) în ceea ce privește tensiunea de intrare (V in ) și tensiunea de ieșire dorită (V out ). Rețineți că ciclul de funcționare este întotdeauna o cantitate cuprinsă între 0 și 1.

Revelați răspuns Ascundeți răspunsul

D = V out


V in

(Circuitul convertorului Buck)

D = 1 -⎛ ⎝ V in


V out

  (Circuit de convertizor Boost)

D = V out


V in + V out

(Inverting sau Cuk convertor circuit)

Note:

Având în vedere ecuațiile pentru rezolvarea acestor tipuri de circuite de convertizor pentru tensiunea de ieșire în ceea ce privește tensiunea de intrare și ciclul D, această întrebare nu este altceva decât un exercițiu al manipulării algebrice.

Notați studenților că toate aceste ecuații își asumă o condiție de încărcare zero pe circuitul convertorului. Atunci când încărcările sunt prezente, desigur, tensiunea de ieșire nu va fi aceeași cu cea estimată de aceste formule simple și simple. Deși aceste circuite convertoare de curent DC-DC sunt denumite în mod obișnuit "regulatoare", este oarecum înșelătoare să procedăm astfel deoarece implică în mod fals o capacitate de autocorecție a tensiunii de ieșire. Doar atunci când sunt cuplate la o rețea de control feedback, oricare dintre aceste circuite de convertizor este capabil de a regla de fapt tensiunea de ieșire la o valoare setată.

Întrebarea 19

Multe circuite de conversie a comutatorului utilizează un MOSFET comutat în locul unei diode în mișcare liberă, cum ar fi:

Dioda este o soluție simplă pentru a furniza inductorului o cale de curent atunci când tranzistorul principal de comutare este oprit. De ce ar folosi cineva un alt MOSFET în locul lui, mai ales dacă acest lucru înseamnă că circuitul de antrenare trebuie să devină mai complex (pentru a conduce două tranzistori la momente diferite în loc de doar un tranzistor) pentru a face aceeași sarcină "# 19"> Reveal răspuns Ascunde Răspuns

Un MOSFET în modul său îmbunătățit va scădea mai puțină tensiune decât o diodă (chiar și o diodă Schottky) în acest circuit, îmbunătățind eficiența energetică.

Note:

Ar putea să nu fie evident pentru unii studenți de ce scăderea tensiunii de tensiune (prin MOSFET versus dioda) are un impact asupra eficienței conversiei. Amintiți-le că puterea este egală cu curenții de tensiune și că, pentru orice curent dat, o scădere a tensiunii înseamnă reducerea disipării de putere. Pentru traiectoria curentului liber, reducerea consumului de energie înseamnă mai puțină putere pierdută și o cantitate mai mică de energie care trebuie alimentată de către sursă (pentru aceeași putere de încărcare), deci o eficiență mai mare.

Întrebarea 20

Un convertor de comutare de "amplificare" care funcționează la o eficiență de 90% oferă 50 de volți la o sarcină DC. Calculați curentul de sarcină dacă tensiunea de intrare este de 17 volți și curentul de intrare este de 9, 3 amperi.

Revelați răspuns Ascundeți răspunsul

Am încărcat = 2.85 amperi

Note:

Calculele care implică eficiența energetică par foarte confuze pentru unii studenți. Un principiu pe care-l reamintesc adesea studenților mei este Legea Conservării Energiei, care interzice oricărui circuit să producă mai multă energie (sau putere) decît este nevoie de el. De prea multe ori, elevii calculează greșit în astfel de probleme, sfîrșind cu puteri de ieșire mai mari decât puterile de intrare!

Discutați tehnicile de rezolvare a problemelor, solicitând contribuția elevilor. În mod ideal, persoanele fizice sau grupurile își prezintă tehnicile în clasă ca întreg, astfel încât să puteți observa procesele lor de gândire și pentru ca alți elevi să învețe să devină mai buni soluționari de probleme.

Întrebarea 21

Un convertizor de comutare "buck" care funcționează la o eficiență de 85% oferă 10 amperi de curent la 5 volți la o sarcină DC. Calculați curentul de intrare dacă tensiunea de intrare este de 23 volți.

Revelați răspuns Ascundeți răspunsul

I intrare = 2.56 amperi

Note:

Calculele care implică eficiența energetică par foarte confuze pentru unii studenți. Un principiu pe care-l reamintesc adesea studenților mei este Legea Conservării Energiei, care interzice oricărui circuit să producă mai multă energie (sau putere) decît este nevoie de el. De prea multe ori, elevii calculează greșit în astfel de probleme, sfîrșind cu puteri de ieșire mai mari decât puterile de intrare!

Discutați tehnicile de rezolvare a problemelor, solicitând contribuția elevilor. În mod ideal, persoanele fizice sau grupurile își prezintă tehnicile în clasă ca întreg, astfel încât să puteți observa procesele lor de gândire și pentru ca alți elevi să învețe să devină mai buni soluționari de probleme.

Întrebarea 22

Un convertor de comutare de "amplificare" care funcționează la o eficiență de 80% oferă 178 volți la 1 amperi la o sarcină DC. Calculați tensiunea de intrare dacă curentul de intrare este de 11 amperi.

Revelați răspuns Ascundeți răspunsul

Intrare V = 20, 2 volți

Note:

Calculele care implică eficiența energetică par foarte confuze pentru unii studenți. Un principiu pe care-l reamintesc adesea studenților mei este Legea Conservării Energiei, care interzice oricărui circuit să producă mai multă energie (sau putere) decît este nevoie de el. De prea multe ori, elevii calculează greșit în astfel de probleme, sfîrșind cu puteri de ieșire mai mari decât puterile de intrare!

Discutați tehnicile de rezolvare a problemelor, solicitând contribuția elevilor. În mod ideal, persoanele fizice sau grupurile își prezintă tehnicile în clasă ca întreg, astfel încât să puteți observa procesele lor de gândire și pentru ca alți elevi să învețe să devină mai buni soluționari de probleme.

Întrebarea 23

Tensiunea de ieșire a unui convertor dolar este o funcție directă a ciclului de funcționare al tranzistorului de comutare. Mai exact, V out = V în (((t on ) / (t total ))). Explicați modul în care următorul circuit de control PWM reglează tensiunea de ieșire a convertorului dolar:

Revelați răspuns Ascundeți răspunsul

Dacă tensiunea de sarcină (ieșire) scade, circuitul PWM generează un semnal de ieșire cu un ciclu mai mare de sarcină, care apoi acționează tranzistorul de putere pentru a furniza o tensiune mai mare încărcăturii.

Următoarele întrebări: Care este scopul potențiometrului din acest circuit "Note ascunse"> Note:

Aici, elevii văd un circuit de control PWM cuplat cu un convertor dolar pentru a asigura conversia puterii reglementată de tensiune. Întrebați-le ce formă de feedback (pozitiv sau negativ?) Este utilizată în acest circuit pentru a regla tensiunea de ieșire la o valoare constantă.

Lăsați elevii să știe că funcțiile PWM și feedback-ul pentru circuitele de comutare ale regulatorului sunt adesea furnizate într-un singur circuit integrat, specific pentru aplicație, și nu printr-o colecție de componente discrete și IC, așa cum se arată în întrebare.

Întrebarea 24

Eficiența energetică (η) a circuitelor de comutare a convertizorului rămâne de obicei destul de constantă pe o gamă largă de rapoarte de conversie a tensiunii. Descrieți modul în care un circuit de reglare a comutării (controlul tensiunii de sarcină la o valoare prestabilită) "apare" la o sursă de tensiune de schimbare dacă sarcina regulatorului este constantă. Cu alte cuvinte, pe măsură ce se schimbă tensiunea de intrare, ce face curentul de intrare?

Revelați răspuns Ascundeți răspunsul

Curentul de intrare al unui regulator de comutare este invers proporțional cu tensiunea de intrare la alimentarea unei sarcini constante, care apare ca o impedanță negativă a sursei de alimentare.

Note:

"Impedanța negativă" și "rezistența negativă" sunt fraze care nu pot fi abordate foarte des într-un curriculum de bază în electronică, dar au consecințe importante. Dacă elevii întâmpină dificultăți în înțelegerea semnificației impedanței "negative", amintiți-le de această definiție matematică pentru impedanță:

Z = dV


dI

Una dintre consecințele neintenționate (și contra-intuitive) ale unui element de circuit cu impedanță negativă poate fi oscilația, mai ales atunci când circuitul de putere de intrare conține o inductanță substanțială.

Întrebarea 25

Următorul circuit de conversie DC-DC este denumit un convertor înainte . Se numește acest lucru deoarece transferul de energie de la intrare la ieșire are loc în timp ce tranzistorul conduce, nu în timp ce este oprit. Verificați această caracteristică a circuitului prin urmărirea curentului prin toate porțiunile acestuia în timp ce tranzistorul este pornit:

Acum, urmăriți curentul prin circuit în timp ce tranzistorul este oprit și explicați scopul reînnoirii înfășurării în transformator:

Revelați răspuns Ascundeți răspunsul

În schemele următoare, notația de flux convențional a fost utilizată pentru a indica direcția curentului:

Scopul resetării înfășurării este eliminarea miezului transformatorului a energiei stocate în timpul ciclului de oprire. Dacă nu s-ar fi făcut acest lucru, nivelele fluxului magnetic al nucleului transformatorului ar ajunge la saturație după doar câteva cicluri de pornire / oprire ale tranzistorului.

Note:

Această întrebare este o revizuire extraordinară a "convenției punct" folosită în simbolurile schematice ale transformatorului.

Întrebarea 26

În timp ce circuitele simple de alimentare cu curent AC-DC (transformator, redresor, filtru, regulator) sunt încă utilizate într-o varietate de echipamente electronice, o altă formă de alimentare este mai răspândită în sistemele în care dimensiunile mici și eficiența sunt cerințe de proiectare . Acest tip de sursă de alimentare se numește o sursă de alimentare de comutare .

Explicați ce este o "sursă de alimentare de comutare" și furnizați o schemă schematică a unei pentru prezentare și discuție. (Sugestie: majoritatea computerelor electronice folosesc surse de alimentare în schimbul surselor de alimentare "brute force", astfel încât diagramele schematice nu ar trebui să fie greu de găsit).

Revelați răspuns Ascundeți răspunsul

Te voi lasa sa faci toate cercetarile pentru aceasta intrebare!

Note:

În timp ce multe circuite de alimentare cu alimentare vor fi prea complexe pentru a începe studiile de electronică pentru a înțelege pe deplin, va fi încă un exercițiu util de a analiza o astfel de schematică și de a identifica componentele principale (și funcțiile).

Întrebați elevii dvs. de ce sursele de alimentare "de comutare" sunt mai mici și mai eficiente decât modelele "forței brute". Cereți studenților să observe tipul de transformator utilizat în comutarea surselor de alimentare și să contrasteze construcția cu cea a transformatoarelor de putere cu frecvență de linie.

Întrebarea 27

Să presupunem că un prieten de-al tău a cumpărat recent un vehicul off-road. Acest prieten a cumpărat de asemenea un spot de surplus militar, pe care îl crede că ar fi un accesoriu excelent pentru iluminarea off-road pe timp de noapte. Singura problemă este că lumina reflectoarelor este evaluată pentru 24 de volți, în timp ce sistemul electric din vehiculul său este de 12 volți.

Prietenul vostru vă cere să proiectați o soluție pentru alimentarea reflectorului de 24 volți cu cei 12 volți disponibili pe vehiculul său. Desigur, nu aveți voie să modificați sistemul electric al vehiculului (schimbați-l la generator de 24 de volți, baterie, motor de pornire etc.), deoarece este nou și încă în garanție. Ce recomandați prietenului dvs. "# 27"> Revelați răspunsul Ascundeți răspunsul

În timp ce există mai multe metode diferite care ar putea fi folosite aici pentru a transforma 12 volți în 24 de volți, nu voi dezvălui niciuna dintre ele aici, ca să nu distrugem distracția pentru tine!

Note:

Elevii pot fi înclinați să ofere răspunsuri ușoare la această problemă ("utilizați un convertor DC-DC!"), Dar scopul este ca studenții să exploreze soluții la nivelul componentelor . Chiar dacă nu înțeleg încă cum funcționează circuitele, ar trebui să găsească soluții complete în cercetarea lor sau cel puțin suficiente scheme pentru secțiuni ale procesului de conversie pentru ca aceștia să inventeze o soluție completă.

Adu-ți aminte elevilor că acest lucru este un reflector puternic pe care vor trebui să-l conducă! Sistemul lor de conversie ar putea avea de a face cu sute de wați.

Întrebarea 28

Descrieți scopul și funcția acestui circuit:

Ieșirea de 120 V AC furnizată de acest circuit nu este cu siguranță sinusoidal, iar frecvența circuitului variază în funcție de sarcină. Poti sa te gandesti la orice modalitate (e) de a imbunatati aceste aspecte ale circuitului (nu trebuie sa aratati detaliile modificarilor de proiectare) "# 28"> Raspuns Raspunde Ascunde raspunsul

Acesta este un circuit de invertor .

Fiți pregătit să explicați ceea ce face fiecare dintre tranzistori și cum transformatorul poate funcționa cu curent continuu pe bobina primară.

Note:

Această schemă particulară a fost derivată dintr-o aplicație de transformare a mărcii Triad, număr de comandă TY-75A. Tranzistori recomandați au fost Delco 2N278, Bendix 2N678, Clevite 2N1146 și Delco 2N173. Variațiile ușoare ale dimensiunilor rezistenței și condensatoarelor pot avea ca rezultat o performanță mai bună. Rezistoarele de 3 Ω trebuie să aibă o putere de cel puțin 5 wați fiecare, iar rezistoarele de 150 Ω trebuie să fie evaluate pentru cel puțin 20 de wați fiecare.

Întrebarea 29


∫f (x) dx Alertă de calcul!


Circuitele electronice de conversie a puterii, cunoscute sub denumirea de convertizoare, convertesc DC în curent alternativ prin utilizarea elementelor de comutare a tranzistorului pentru a inversa periodic polaritatea tensiunii DC. În mod obișnuit, invertoarele măresc și nivelul de tensiune al puterii de intrare prin aplicarea tensiunii de comutație DC la înfășurarea primară a unui transformator step-up. S-ar putea să vă gândiți la o electronică de comutare a unui invertor ca pe un comutator dublu-aruncător, aruncat de două ori înainte și înapoi de mai multe ori pe secundă:

Primele invertoare disponibile în comerț au produs o ieșire simplă cu unghi drept:

Cu toate acestea, acest lucru a cauzat probleme pentru majoritatea transformatoarelor de putere concepute pentru a funcționa pe o putere sinusoidală de curent alternativ. Atunci când sunt alimentate de ieșirea cu unghi pătrat al unui astfel de invertor, cele mai multe transformatoare s-ar satura datorită fluxului magnetic excesiv care se acumulează în miez în anumite puncte ale ciclului formei de undă. Pentru a descrie acest lucru în termeni simpli, un val pătrat posedă un produs mai mare de doi volți decât un val sinusoidal cu aceeași amplitudine de vârf și frecvență fundamentală.

Această problemă ar putea fi evitată prin scăderea tensiunii de vârf a undei pătrate, dar apoi unele tipuri de echipamente alimentate ar întâmpina dificultăți datorate tensiunii insuficiente (maxime):

O soluție viabilă la această dilemă sa dovedit a fi un ciclu de taxare modificat pentru valul pătrat:

Calculați fracția jumătății ciclului pentru care această vală pătrată modificată este "pornită", pentru a avea același produs de volt-secundă ca undă sinusoidală pentru ciclul de o jumătate (de la 0 la p radiani):

Sugestie: este o chestiune de calculare a suprafețelor respective sub fiecare formă de undă din domeniul semicercului.

Revelați răspuns Ascundeți răspunsul

Fracția = (2 / (π)) ≈ 0, 637

Întrebare de provocare: demonstrați faptul că fracția ciclului de sarcină necesară valului pătrat pentru a avea aceeași valoare RMS ca undă sinusoidală este exact 1/2 . Indiciu: produsul de tip volt-pătrat-secundar al celor două forme de undă trebuie să fie egal pentru ca valorile RMS să fie egale!

Note:

Această problemă reprezintă un bun exemplu al modului în care integrarea este utilizată într-un sens foarte practic. Chiar dacă elevii tăi nu sunt familiarizați cu calculul, ei ar trebui cel puțin să poată înțelege conceptul de produse volt-secunde egale pentru cele două forme de undă și să fie capabili să se refere la cantitatea de flux magnetic acumulat în miezul transformatorului pe parcursul unui ciclu .

Întrebarea 30

O topologie comună pentru circuitele de convertizor de putere DC-AC utilizează o pereche de tranzistoare pentru a comuta curentul DC prin bobinația centrală a unui transformator step-up, cum ar fi:

Pentru ca această formă de circuit să funcționeze corect, semnalele de "ardere" ale tranzistorului trebuie sincronizate cu precizie pentru a se asigura că cele două nu sunt activate niciodată simultan. Următoarea diagramă schematică prezintă un circuit pentru a genera semnalele necesare:

Explicați modul în care funcționează acest circuit și identificați locațiile potențiometrelor de control al frecvenței și de control al ciclului de funcționare a impulsurilor.

Revelați răspuns Ascundeți răspunsul

O diagramă de timp este în valoare de o mie de cuvinte:

V ref = tensiunea de referință DC stabilită de potențiometrul ciclului de sarcină
V cap = Tensiunea măsurată la borna superioară a condensatorului 555
V comp = tensiunea de ieșire a comparatorului
V 555 (ieșire) = 555 tensiune de ieșire temporizată
Q = ieșire neinversată a flip-flopului JK
(Q) = Ieșirea inversată a flip-flop-ului JK

Următoarele întrebări: în ce direcție ar trebui să mișcați potențiometrul de frecvență pentru a crește frecvența de ieșire a acestui circuit "note notes hidden"> Note:

Această întrebare este un exercițiu în diagrama schematică și interpretarea diagramei de sincronizare. Apropo, am construit și testat acest circuit și pot spune că funcționează foarte bine.

  • ← Foaia de lucru anterioară

  • Fișa foilor de lucru

  • Foaia de lucru următoare →